专题6 验证动量守恒定律-2024年高考物理冲刺力学实验专题

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方案一、利用气垫导轨完成一维碰撞实验
1.实验器材：气垫导轨、光电计时器、滑块（两个）、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等
2.实验步骤
①测质量：用天平测出滑块的质量
②安装：正确安装好气垫导轨。
③实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前、后的速度（①改变滑块的质量；②改变滑块的初速度大小和方向）
④验证：一维碰撞中的动量守恒
3.数据处理：
①滑块速度的测量：，中为滑块上挡光片的宽度（仪器说明书上给出，也可直接测量），Δt为数字计时器显示的滑块（挡光片）经过光电门的时间。
②验证的表达式：
③本方案优点：气垫导轨阻力很小，光电门计时准确，能够准确地验证动量守恒定律
方案二：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律
1.实验器材：斜槽、小球（两个）、天平、复写纸、白纸等
2.实验步骤：
①测质量：用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球
②安装：按照图甲所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平.
③铺纸：白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好.记下重锤线所指的位置O.
④放球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次.用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面.圆心P就是小球落点的平均位置.
⑤碰撞找点：把被撞小球放在斜槽末端，每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次.用步骤4的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N.如图乙所示.
⑥验证：连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度.将测量数据填入表中.最后代入，看在误差允许的范围内是否成立.
⑦结束：整理好实验器材放回原处
3.数据处理
验证的表达式：
知识点二、注意的事项
1.前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”
2.若利用“气垫导轨”完成实验，调整气垫导轨时，注意利用水平确保导轨水平
若利用“斜槽”完成实验，斜槽末端的切线必须水平，入射小球每次必须从斜槽同一高度由静止释放.
知识点三、误差分析
1.系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：
①碰撞是否为一维碰撞.
②实验是否满足动量守恒的条件：如气垫导轨是否水平，且尽量满足动量守恒条件。
2.偶然误差：主要来源于质量m和速度v的测量
3.改进措施：
①设计方案时应保证碰撞为一维碰撞，且尽量满足动量守恒的条件
②采取多次测量求平均值的方法减小偶然误差
题型一：对实验操作的考查
1.2011年理综北京卷
如图2，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。
①试验中，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是，可以通过仅测量 （填选项前的序号），间接地解决这个问题。
A．小球开始释放高度
B．小球抛出点距地面得高度
C．小球做平抛运动的射程
②图2中点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时，先让入射球m1多次从斜轨上S位置静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程OP。然后，把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射球m1从斜轨上S位置静止释放，与小球m2相碰，并多次重复。
接下来要完成的必要步骤是 。（填选项前的符号）
A．用天平测量两个小球的质量m1、m2
B．测量小球m1开始释放高度h
C．测量抛出点距地面的高度H
D．分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N
E．测量平抛射程OM、ON
③若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为_______________（用②中测量的量表示）；若碰撞是弹性碰撞。那么还应满足的表达式为 （用②中测量的量表示）。
④经测定，m1=45.0g，m2=7.5g，小球落地点的平均位置距O点的距离如图3所示。碰撞前、后m1的动量分别为p1与p1′，则p1∶p1′= ∶11；若碰撞结束时m2的动量为p2′,则p1′∶p2′=11∶____。
实验结果说明，碰撞前、后总动量的比值为________。
⑤有同学认为，在上述实验中仅更换两个小球的材质，其它条件不变，可以使被撞小球做平抛运动的射程增大。请你用④中已知的数据，分析和计算出被撞小球m2平抛运动射程ON的最大值为____cm。
答：（1） = 1 \* GB3 ①S； = 3 \* GB3 ③T；0刻线； = 4 \* GB3 ④ADC
（2） = 1 \* GB3 ①C； = 2 \* GB3 ②ADE或DEA或DAE
③ ；
④14；2.9；1~1.01； ⑤76.8
题型二：对数据处理及误差的考查
（山东省莱州市第一中学2019-2020学年高三上学期期中模拟测试（二）物理试题）16.（1）利用气垫导轨通过闪光照相进行“探究碰撞中的不变量”这一实验．实验要求研究两滑块碰撞时动能损失很小和很大等各种情况，若要求碰撞时动能损失最大应选下图中的_______（填“甲”或“乙”）、若要求碰撞动能损失最小则应选下图中的_______．（填“甲”或“乙”）（甲图两滑块分别装有弹性圈，乙图两滑块分别装有撞针和橡皮泥）
（2）某次实验时碰撞前B滑块静止，A滑块匀速向B滑块运动并发生碰撞，利用闪光照相的方法连续4次拍摄得到的闪光照片如图所示．
已知相邻两次闪光时间间隔为T，在这4次闪光的过程中，A、B两滑块均在0~80 cm范围内，且第1次闪光时，滑块A恰好位于x=10 cm处．若A、B两滑块的碰撞时间及闪光持续的时间极短，均可忽略不计，则可知碰撞发生在第1次闪光后的___________时刻，A、B两滑块质量比_______．
题型三：实验创新及改进
（2021届黑龙江省大庆实验中学高三（上）期中物理试题）15. 用半径均为r的小球1和小球2碰撞来验证动量守恒定律，实验装置如图甲所示，斜槽与水平槽圆滑连接。安装固定好实验装置，竖直挡板上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，用夹子固定，小球球心与O点位置等高，实验步骤如下：
步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在竖直挡板上。重复多次，确定小球落点的平均位置P；
步骤2：把小球2放在斜槽前端边缘位置B，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞。重复多次，确定碰撞后两小球落点的平均位置M、N；
步骤3：用毫米刻度尺测得O点与M、P、N三点的竖直方向的距离分别为h1、h2、h3。
(1)两小球的直径用螺旋测微器核准相等，测量结果如图乙，则两小球的直径均为_____mm。
(2)设球1和球2的质量分别为m1、m2，若满足_____，则说明碰撞过程动量守恒，若还满足_____，则说明两球发生的碰撞为弹性碰撞。（用“m1、m2、h1、h2、h3表示）
课后练习
1.2020年高考真题
某同学用如图所示的实验装置验证动量定理，所用器材包括：气垫导轨、滑块（上方安装有宽度为d的遮光片）、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等。
实验步骤如下：
（1）开动气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间________时，可认为气垫导轨水平；
（2）用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块（含遮光片）的质量m2；
（3）用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接，并让细线水平拉动滑块；
（4）令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动，和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12；
（5）在遮光片随滑块从A运动到B的过程中，如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力，拉力冲量的大小I=________，滑块动量改变量的大小Δp=________；（用题中给出的物理量及重力加速度g表示）
（6）某次测量得到的一组数据为：d=1.000 cm，m1=1.5010-2 kg，m2=0.400 kg，△t1=3.90010-2 s，Δt2=1.27010-2 s，t12=1.50 s，取g=9.80 m/s2。计算可得I=________N·s，Δp=____ kg·m·s-1；（结果均保留3位有效数字）
（7）定义，本次实验δ=________%（保留1位有效数字）。
2.（2021届天津市南开区高三（上）期末物理试题）9. 某同学利用气垫导轨做“验证动量守恒定律”的实验，气垫导轨装置如图所示，由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成。
（1）下面是实验的主要步骤：
a.安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；
b.向气垫导轨通入压缩空气；
c.接通光电计时器（光电门）；
d.把滑块2静止放在气垫导轨的中间；
e.滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；
f.释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧的滑块2碰撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2，两滑块通过光电门后依次被制动；
g.读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为滑块1通过光电门1的挡光时间△t1=10.01ms，通过光电门2的挡光时间△t2=49.99ms，滑块2通过光电门2的挡光时间△t3=8.35ms；
h.测出挡光片的宽度d=5mm，测得滑块1（包括撞针）的质量为m1=300g，滑块2（包括弹簧）质量为m2=200g；
（2）实验中气垫导轨的作用是：A___________；B___________。
（3）碰撞前滑块1的速度v1为___________m/s；碰撞后物体系的总动量P2=___________kg·m·s-1。（结果保留两位有效数字）
3.（2021届北京市石景山区高三（上）期末物理试题）15. 用如图所示的装置验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。
(1)在实验中，入射小球、被碰小球的质量分别为m1和m2，入射小球、被碰小球的半径分别为r1和r2.对于m1和m2、r1和r2的大小，下列关系正确的是__________
A．m1=m2，r1=r2 B．m1>m2，r1=r2
C．m1m2
(2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时，先让入射球m1多次从斜轨上S位置静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程，然后，把被碰小球m2静置于轨道的末端，再将入射球m1从斜轨S位置静止释放，与小球m2相撞，并多次重复。接下来要完成的必要步骤是________（填选项的符号）
A．用天平测量两个小球的质量m1、m2
B．测量平抛射程、
C．测量抛出点距地面的高度H
D．分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N
10.（2021届天津市滨海新区汉沽第六中学高三（上）期中物理试题）10. 某同学采用如图所示的装置，利用A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律。图中MN是斜槽，NR为水平槽。实验时先使A球从斜槽上某一固定位置由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹。
(1)必须要求的条件是_________________；
A．斜槽轨道末端的切线必须水平
B．斜槽轨道必须是光滑的
C．入射球每次必须从轨道的同一位置由静止滚下
D．A球质量为m1，半径为r1；B球质量为m2，半径为r2，则，
(2)若A球质量m1，B球质量m2，则本实验验证动量守恒定律表达式为（用装置图中的字母表示）_____________；
A． B．
C． D．
11.（2021届黑龙江省哈尔滨市第六中学高三（上）期中物理试题）16. 某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速运动。他设计的具体装置如图a所示，在小车A后连着纸带，电磁打点计时器电源频率为，长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力。
若已得到打点纸带如图b并测得各相邻计数点间距标在图上，A为运动起始的第一点，则应选______段来计算A的碰前速度应选______段来计算A和B碰后的共同速度；（以上两格填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”）
已测得小车A的质量，小车B的质量，由以上测量结果可得：碰前总动量=______；碰后总动量=______。
12.（2021届山东省菏泽市高三（上）期中考试物理试题）13. 实验室中都备有气垫导轨这一实验仪器，如图所示。它利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。某物理学习小组利用气垫导轨以及光电门计时器进行“验证动量守恒定律”这一实验。滑块1上安装挡光片；滑块1上有撞针，滑块2上有橡皮泥，用天平分别测出两滑块的质量；调整气垫导轨，使导轨处于水平；接通电源，将滑块2静置于两光电门之间，滑块1放左侧压缩橡皮条后放手。记录滑块1通过光电门1的挡光时间以及滑块1通过光电门2的挡光时间。

(1)用表示挡光片的宽度，滑块1到达光电门1时的速度可以表示为______；
(2)本实验中，滑块1与滑块2碰撞后黏在一起，在碰撞前后，滑块1、滑块2组成的系统总动能_______（选填“损失最大”、“损失最小”、“不变”）；本实验中挡光片的宽度_____（选填“需要”、“不需要”）测量出具体数值；
(3)利用上述测量的实验数据，验证动量守恒定律的表达式为______（用对应的物理量符号表示）。
23.（2021届山东省威海市威海文登区高三（上）期中物理试题）14. 某小组同学用气垫导轨验证滑块碰撞过程中的动量守恒，实验装置如图所示。
(1)实验前，应调节气垫导轨底部的调节旋钮，使导轨_____；充气后，当滑块在导轨上能______运动时，说明气垫导轨已经调节好；
(2)实验时，先使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳，然后释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定有弹簧的滑块2碰撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2，两滑块通过光电门2后依次被制动；实验中需要测量滑块1（包括挡光片）的质量m1、滑块2（包括弹簧和挡光片）的质量m2、滑块1通过光电门1的挡光时间、通过光电门2的挡光时间，还需要测量_________（写出物理量及其表示符号）；
(3)如果表达式__________成立，则说明滑块碰撞过程中动量守恒。（用物理量的符号表示）